史上最大貝爾實(shí)驗(yàn)再度驗(yàn)證他始終不滿意的量子力學(xué)

當(dāng)量子力學(xué)在近一個(gè)世紀(jì)前首次被發(fā)現(xiàn)時(shí)，它顛覆了人們此前對(duì)宇宙的兩個(gè)基本假設(shè)，一個(gè)是客觀實(shí)在性（realism），一個(gè)是“非局部性（non-locality）”。

在客觀實(shí)在性的問題上，相比經(jīng)典物理，量子力學(xué)認(rèn)為一個(gè)獨(dú)立于觀察者的世界是不存在的，所謂的現(xiàn)實(shí)在被觀察前都是不可描述的。而在第二個(gè)問題，“非局部性”上，量子力學(xué)中的“糾纏”能違背了愛因斯坦的相對(duì)論，允許處于一個(gè)時(shí)空的事件能瞬間影響處于另一個(gè)時(shí)空的事件，而在相對(duì)論中，光速才是宇宙中的最快速度。

由于發(fā)現(xiàn)了光量子，愛因斯坦被認(rèn)為是量子理論的創(chuàng)建者之一，但愛因斯坦對(duì)后來的量子力學(xué)并不滿意，并認(rèn)為量子力學(xué)理論不完整，簡單的一句話是——“上帝不丟骰子”。在他看來，量子力學(xué)的概率特征是其理論不完備的表現(xiàn)，愛因斯坦生前曾一直并堅(jiān)信其背后一定有著更為深層的物理原理能對(duì)此給出解釋，直至他于 1955 年去世，問題也仍未得到解答。

但是，迄今為止最為宏大的貝爾實(shí)驗(yàn)再次驗(yàn)證了量子力學(xué)的可靠性：圍繞量子力學(xué)中頗為關(guān)鍵的一個(gè)漏洞——選擇漏洞，一個(gè)國際小組將他們的貝爾實(shí)驗(yàn)“外包”給宇宙，讓宇宙參與生產(chǎn)隨機(jī)數(shù)，以獲取最大的隨機(jī)性。

除此之外，中國科技大學(xué)的潘建偉所領(lǐng)導(dǎo)的中國團(tuán)隊(duì)也在他們的實(shí)驗(yàn)中對(duì)包括選擇漏洞在內(nèi)的量子力學(xué)所有三個(gè)漏洞都做了一定的探索。

這些實(shí)驗(yàn)或許很快就能證明，整個(gè)世界或許都遵循著這一愛因斯坦生前并不喜歡的理論。

（來源：Quanta Magazine）

量子力學(xué)“填不完的漏洞”

在檢驗(yàn)量子力學(xué)上，一個(gè)很有名的實(shí)驗(yàn)是貝爾實(shí)驗(yàn)，其發(fā)起人是北愛爾蘭理論物理學(xué)家約翰·貝爾。

1964 年，約翰·貝爾終于為實(shí)驗(yàn)學(xué)家們提供了一種可行的量子力學(xué)檢驗(yàn)方法。在貝爾實(shí)驗(yàn)中，由一個(gè)糾纏光子源分別向愛麗絲和鮑勃兩個(gè)接收者發(fā)送光子，每個(gè)觀察者獲得這對(duì)糾纏光子中的一個(gè)。愛麗絲和鮑勃將分別測量所接受光子偏振性（極性），然后對(duì)比測量結(jié)果來判斷兩個(gè)測量結(jié)果之間是否存在相關(guān)性。

在大多數(shù)貝爾實(shí)驗(yàn)中，這一特定量子屬性都被選為了“某一特定有效方向上的極化”。

經(jīng)典物理認(rèn)為兩個(gè)光子的測量結(jié)果間沒有任何聯(lián)系，在貝爾實(shí)驗(yàn)中，任何認(rèn)可真實(shí)性和局部性的理論都預(yù)測測量結(jié)果間的相關(guān)性存在一個(gè)最大值。而量子力學(xué)的非局部性則允許測量間的相關(guān)性超出這一最大值。

首個(gè)較為完整的貝爾實(shí)驗(yàn)于上世紀(jì) 70 年代被完成，結(jié)論是客觀實(shí)在性和局部性的崩塌，量子力學(xué)獲得勝利。

（來源：Resonance Science Foundation）

但這些早期貝爾實(shí)驗(yàn)不能完全排除“隱藏理論”的存在。例如，如果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的兩人，愛麗絲和鮑勃相距不夠遠(yuǎn)，以光速傳播的“隱藏”影響就可能會(huì)導(dǎo)致愛麗絲的測量結(jié)果對(duì)鮑勃的測量構(gòu)成影響。

除了剛才所提到的局部性漏洞，早期貝爾實(shí)驗(yàn)還存在一個(gè)抽樣漏洞和一個(gè)選擇漏洞。抽樣漏洞指的是假如愛麗絲和鮑勃使用的探測器效率很低，僅能檢測到一小部分光子，實(shí)驗(yàn)結(jié)果就可能會(huì)產(chǎn)出一個(gè)本不存在的相關(guān)性，而選擇漏洞則與愛麗絲和鮑勃選擇的測量設(shè)定是否完全獨(dú)立有關(guān)，因?yàn)槟呐率且欢↑c(diǎn)的選擇相關(guān)性都會(huì)摧毀實(shí)驗(yàn)的完整性。

雖然在 2015 年有一系列實(shí)驗(yàn)稱它們通過將愛麗絲和鮑勃在太空中分開足夠遠(yuǎn)的一段距離，并為觀測者分配備高速隨機(jī)數(shù)字生成器和高效探測器成功填補(bǔ)了上述三個(gè)漏洞，并得出結(jié)果表明量子力學(xué)依然正確。

但澳大利亞國立大學(xué)（Australian National University）的 Michael Hall 早在 2011 年就已提出“隨機(jī)數(shù)生成器可能在效果上不足以填補(bǔ)選擇漏洞”，認(rèn)為如果隨機(jī)數(shù)生成器和光子發(fā)射源在過去通過某種隱藏機(jī)制進(jìn)行過交互，觀察者的測量設(shè)定，甚至光子本身的一些屬性就會(huì)因此受到影響，進(jìn)而使實(shí)驗(yàn)觀測到一些本不該存在的相關(guān)性。

西班牙光子科學(xué)研究所（Institute of Photonic Sciences）的 Morgan Mitchell 說：“當(dāng)時(shí)，如何能確保隨機(jī)數(shù)生成器與光子源間未存在過關(guān)聯(lián)成了業(yè)界的一大難題，甚至給人一種‘選擇漏洞或許根本就無法填補(bǔ)’的感覺?！?/p>

但 Mitchell 和同事后來提出了一個(gè)具有創(chuàng)新性的可能解決方案：將測量設(shè)定的選擇外包給玩視頻游戲玩家。在“大貝爾實(shí)驗(yàn)（the Big Bell Test）”中，每個(gè)游戲玩家都需要快速生成 0 和 1 的序列，科學(xué)家會(huì)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法則會(huì)嘗試預(yù)測玩家的選擇，按生成序列的可預(yù)測性給出玩家的得分（越不可測得分就越高）。

2016 年 11 月 30 日，大約 10 萬名玩家在游戲中生成了近 1 億個(gè)隨機(jī)數(shù)字，這些數(shù)字被傳給了全球各地的 13 個(gè)不同版本的貝爾實(shí)驗(yàn)。

圖丨the Big Bell Test（來源：the Big Bell Test）

而正如大貝爾實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)于今年年初所透露的那樣，所有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明量子力學(xué)成立。Mitchell 說：“如果人類有自由意志，那大貝爾實(shí)驗(yàn)就已經(jīng)填補(bǔ)了選擇漏洞?！?/p>

然而，人有自由意志是一個(gè)極為哲學(xué)的假設(shè)，眼下并不可靠，但也確實(shí)有一個(gè)辦法能繞開這個(gè)問題。

時(shí)空中的每個(gè)事件，例如愛麗絲和鮑勃進(jìn)行測量，都有一個(gè)“過去光錐（past light cone）”：一個(gè)時(shí)空體積，一個(gè)以小于等于光速的速度傳播，能影響事件結(jié)果的“隱藏因素”，而通過盡可能地降低用于生成測量設(shè)定的隨機(jī)事件與過去相關(guān)性，也就是盡可能的縮小“過去光錐”的體積，我們便能繞過自由意志的假設(shè)，以一種相對(duì)可靠的方法填上選擇漏洞。

這便是麻省理工學(xué)院的 Andrew Friedman、David Kaiser 和哈維姆德學(xué)院（Harvey Mudd College）的Jason Gallicchio 所提出的一個(gè)替代方案。

David Kaiser 說：“我們?cè)噲D將隨機(jī)數(shù)生成工作外包給宇宙本身，以獲取最大的隨機(jī)性?！?/p>

宇宙生成的實(shí)驗(yàn)

他們所進(jìn)行的這個(gè)實(shí)驗(yàn)是迄今為止最大的一次量子力學(xué)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)計(jì)劃用 6 臺(tái)望遠(yuǎn)鏡和一系列光學(xué)設(shè)備收集由一些星系于數(shù)十億年前所發(fā)出的光，將驗(yàn)證范圍擴(kuò)大至了整個(gè)宇宙時(shí)空，進(jìn)而判斷愛因斯坦生前的著名觀點(diǎn)，“量子力學(xué)的怪異之處不過是因?yàn)槲覀兊恼J(rèn)知還不完整”是否正確。

這個(gè)方案的設(shè)想很簡單，但也很激進(jìn)。

愛麗絲和鮑勃可以用望遠(yuǎn)鏡接收由遙遠(yuǎn)天體所發(fā)出的光子，并利用每個(gè)光子的顏色屬性為生成決定測量設(shè)定的隨機(jī)數(shù)字。例如，較閾值波長更紅的光子可在兩個(gè)極化方向中的一個(gè)方向上觸發(fā)測量，而較閾值波長更藍(lán)的光子則可在另一個(gè)方向上觸發(fā)測量。通過使用宇宙本身的光子來設(shè)定測量參數(shù)，并證明量子力學(xué)依然有效，我們便能證明在光向地球傳播的過程中沒有任何“隱藏因素”能影響測量的設(shè)定。

為了將這一設(shè)想付諸實(shí)踐，Kaiser 和同事與博士生 Dominik Rauch 的主管、奧地利量子光學(xué)和量子信息研究所的 Anton Zeilinger 合作進(jìn)行了多次嘗試。在第一次實(shí)驗(yàn)中，他們將糾纏光子源放置在了維也納 Boltzmanngasse 研究所的屋頂上，而愛麗絲和鮑勃?jiǎng)t分別位于兩座建筑中。鮑勃在自然資源和生命科學(xué)大學(xué)（University of Natural Resources and Life Sciences，）的五樓，位于光子源以北約 1150 米，愛麗絲位于奧地利國家銀行的九樓，位于光子源以南約 550 米。

圖丨自然資源和生命科學(xué)大學(xué)（來源：自然資源和生命科學(xué)大學(xué)）

每當(dāng)夜晚降臨，位于兩地的研究人員就會(huì)用小型望遠(yuǎn)鏡分別觀察天空中南北兩個(gè)方向上的恒星，而望遠(yuǎn)鏡所收集到的光子信息則會(huì)被光纖傳給一個(gè)能測量波長的儀器，如果光子的波長小于 700 納米，儀器會(huì)以一種方式生成結(jié)果（比如生成數(shù)字 1），反之亦然，進(jìn)而根據(jù)天體所放出的光子隨機(jī)生成 0 和 1 來設(shè)置測量參數(shù)。

而與之前所有的實(shí)驗(yàn)一樣，維也納屋頂實(shí)驗(yàn)（the Vienna rooftop experiment）也表明量子力學(xué)正確，以及在光子到達(dá)地球的 600 年左右的時(shí)間里不存在能對(duì)觀測設(shè)定構(gòu)成影響的“隱藏因素”。

（來源：麻省理工科技評(píng)論）

但 Kaiser 和同事原本所提出的計(jì)劃較維也納屋頂實(shí)驗(yàn)要更為宏大，想用距地球數(shù)十億光年的類星體作為隨機(jī)數(shù)生成器。

研究團(tuán)隊(duì)成員，Thomas Scheidl 說：“類星體是離我們最遠(yuǎn)的物體之一，其光強(qiáng)可讓它被光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測到，但我們需要更大的望遠(yuǎn)鏡才能進(jìn)行試驗(yàn)?！?/p>

與維也納屋頂實(shí)驗(yàn)一樣，新的實(shí)驗(yàn)也需要三個(gè)不同的地理位置，用以安置位于兩地的愛麗絲和鮑勃，以及位于他們之間的糾纏光子源。

位于 La Palma 的 Roque de los Muchachos 山頂上建有大型望遠(yuǎn)鏡，對(duì)實(shí)驗(yàn)來說有著近乎完美的配置。愛麗絲會(huì)用意大利的伽利略國家望遠(yuǎn)鏡（the Galileo National Telescope）收集光子，鮑勃會(huì)用由荷蘭、西班牙和英國聯(lián)合資助的 William Herschel 望遠(yuǎn)鏡收集光子，而一個(gè)放有用于產(chǎn)生糾纏光子對(duì)的光學(xué)儀器，由集裝箱制成的臨時(shí)辦公室則位于斯堪的納維亞北歐光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的停車場上，這個(gè)位置幾乎正好在愛麗絲和鮑勃中間，與二者分別相距約 500 米。

實(shí)驗(yàn)中，愛麗絲和鮑勃所觀察的類星體分別距地球 78 億光年和 122 億光年，研究人員總共收集并分析了近一萬八千對(duì)光子的數(shù)據(jù)，結(jié)果又一次表明了量子力學(xué)是正確的。

圖丨位于加那利群島拉帕爾馬的意大利伽利略國家望遠(yuǎn)鏡（來源：哈佛 - 史密森尼天體物理中心）

如果愛因斯坦的假象宇宙真的存在，那它可能還不在我們的搜尋范圍內(nèi)

由于兩個(gè)類星體在天空中處于不同的方位，它們的過去光錐在僅重疊了約 131.5 億光年，排除了 96% 的可能“隱藏因素”影響。

Kaiser 說：“實(shí)際上，它們的過去光錐一直延伸至了宇宙誕生時(shí)的大爆炸?！?/p>

圖 |（來源：麻省理工科技評(píng)論）

但問題仍然存在，盡管實(shí)驗(yàn)解決了局部性漏洞問題，并將選擇漏洞問題最小化，抽樣漏洞依然存在。

實(shí)驗(yàn)需要通過空氣將光子從光源傳輸?shù)?Alice 和 Bob，這意味著需要足夠多光子才能保證探測器的檢測率達(dá)標(biāo)。Kaiser 說：“我們甚至都沒能嘗試著去填補(bǔ)抽樣漏洞?！?/p>

與此同時(shí)，由 Zeilinger 的前學(xué)生、中國科技大學(xué)的潘建偉所領(lǐng)導(dǎo)的中國團(tuán)隊(duì)在他們的實(shí)驗(yàn)中對(duì)所有三個(gè)漏洞都做采取了一些措施。

他們通過用光纖將糾纏光子從光子源傳輸給位于上海郊區(qū)的愛麗絲和鮑勃，進(jìn)而最大限度地減少光子的損失，并用距地球約 11 光年的恒星所發(fā)出的光產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)用以設(shè)定觀測參數(shù)，其結(jié)果也表明量子力學(xué)是正確的。

目前，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)正在考慮如何進(jìn)一步控制漏洞對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，例如通過用由大爆炸產(chǎn)生，來自宇宙微波背景輻射的光子設(shè)定觀測參數(shù)。Kaiser 說：“這是一個(gè)十分誘人但又很暗實(shí)現(xiàn)的設(shè)想，要知道，宇宙中沒有比背景輻射更老的光子了?！?/p>

雖然兩個(gè)團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)并不能完全肯定的說愛因斯坦的想法是錯(cuò)的，但大多數(shù)物理學(xué)家都已對(duì)量子力學(xué)的可靠性形成了一種共識(shí)，并不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果感到驚訝，可他們也并不排除愛因斯坦正確的可能性，只是如果愛因斯坦所設(shè)想的宇宙假如真的存在，它現(xiàn)在應(yīng)該已經(jīng)被排擠到了宇宙的一個(gè)小角落。

有關(guān)量子力學(xué)的疑問可能還會(huì)跟以前一樣深不可測。但對(duì) Kaiser 來說，這正是他們值得慶祝的原因。Kaiser 說：“我覺得現(xiàn)在的量子理論看起來跟以前一樣好，它依然很棒。”